Группа ученых из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН предложила двумерный метаматериал из серебряных элементов, необычно преломляющий свет, исследование было опубликовано в Optical Material Express.

В будущем подобные структуры могут быть использованы для разработки компактных оптических устройств, а также для создания «плаща-невидимки», пишет пресс-служба МФТИ.

Результаты компьютерного моделирования, проведённого авторами, показали высокую эффективность работы материала для света с длиной волны 400–500 нанометров (фиолетовый, синий и голубой цвет). Эффективностью в данном случае называют процент света, рассеянного в нужном направлении. Она составляет около 70% для преломления и около 80% для отражения света. Теоретически эффективность может достигать 100%, но в реальных металлах существуют потери, связанные с омическим сопротивлением.

Метаматериал — материал, свойства которого обусловлены искусственно созданной периодической структурой. При падении света на поверхность такого материала преломленный луч лежит по ту же сторону от нормали к поверхности, что и падающий. Разницу поведения света в среде с положительным и отрицательным показателем преломления можно увидеть на примере палочки погруженной в жидкость.

Существование веществ с отрицательным показателем преломления было предсказано еще в середине XX века. В 1976 году советский физик В. Веселаго опубликовал статью, в которой теоретически описал их свойства, в том числе необычное преломление света. Сам термин «метаматериал» для таких веществ был предложен Роджером Уэлсером в 1999 году. Первые образцы метаматериалов представляли из себя массивы из тонких проволочек и работали только с микроволновым излучением

Но для получения необычных оптических эффектов не обязательно нужен объемный метаматериал. Манипулировать светом можно и при помощи двумерных структур, так называемых метаповерхностей. По сути, это — тонкие пленки, составленные из отдельных элементов. Принцип работы метаповерхности основан на явлении дифракции. Любой плоский периодический массив представляет из себя дифракционную решетку, которая «расщепляет» падающий на нее свет на несколько лучей. Количество и направление лучей зависит от геометрических параметров: угла падения, длины волны и периода решетки. Структура элементарной ячейки, в свою очередь, определяет, как распределится между лучами энергия падающего света. Для получения отрицательного показателя преломления нужно, чтобы все дифракционные лучи кроме одного были подавлены, тогда весь падающий свет будет перенаправлен в нужном направлении.

Именно эта идея лежит в основе недавней работы группы ученых из МФТИ и ИТФ им. Ландау. Элементарная ячейка предложенной ими решетки представляет собой пару близко расположенных серебряных цилиндров радиусом порядка 100 нанометров (см. рисунок). Такая структура проста и работает в оптической области, в то время как большинство аналогов обладают более сложной геометрией и работают только с микроволновым излучением.

Эффективное взаимодействие пар металлических цилиндров со светом происходит благодаря эффекту плазмонного резонанса. Свет поглощается металлическими стержнями, заставляя электроны в металле колебаться, и переизлучается. Исследователям удалось подобрать параметры ячейки таким образом, чтобы результирующий оптический отклик решетки соответствовал аномальному (т.е отрицательному) преломлению падающей волны (см. рисунок). Интересно, что поменяв ориентацию пар цилиндров, можно получить эффект аномального отражения. Отметим, что схема работает в широком диапазоне углов падения.

Аномальное преломление света на предложенной структуре. Красным и синим цветом изображены лучи, имеющие разную фазу. Градиент цветов определяет интенсивность излучения. Изображение предоставлено авторами исследования.

Полученные результаты могут быть применены для управления оптическими сигналами в ультракомпактных устройствах. Здесь речь идет прежде всего о технологиях оптической передачи и обработки информации, которые в будущем помогут ускорить работу компьютеров. Используемые в современных чипах электрические межсоединения работают на пределе своих пропускных способностей и тормозят дальнейший рост производительности вычислительных систем. Для перехода от электрических межсоединений к оптическим необходимо уметь эффективно управлять оптическими сигналами на наномасштабе. Во многом именно на решение этой задачи направлены усилия научного сообщества по созданию структур, способных «поворачивать» свет в нужном направлении.